Fisiologia – Neuroni e Sinapsi

Durante il lungo cammino dell'evoluzione il cer- dere il funzionamento del cervello, ma anche per

vello ha sviluppato una progressiva complessità fi- capire le sue patologie neurologiche e psichiatri-

no a diventare un aggregato di oltre 100 miliardi di che, per scoprire nuovi farmaci e per pianificare

neuroni funzionalmente collegati da un numero adeguate terapie riabilitative.

molto più grande di sinapsi. In parallelo all'aumen- Nel terzo volume di questa serie sono descritti i

to della complessità dei circuiti cerebrali sono emer- meccanismi fondamentali di funzionamento del

se varie proprietà come quella di interagire con neurone con la sua peculiare capacità di generare

l'ambiente mediante movimenti, creare sensazioni segnali elettrici stereotipi e di condurli lungo il suo

e percezioni, ma anche emozioni, razionalità, senso assone. Dal punto di vista della fisica, il neurone è

estetico fino all'autocoscienza. Le differenze ma- un conduttore di elettricità molto scadente che pre-

croscopiche che si osservano nei diversi stati evolu- senta numerosi difetti. Tuttavia, esso è dotato di

tivi del cervello si attenuano fino a scomparire strategie che hanno superato brillantemente questi

quando si passa ad un'analisi sempre più microsco- limiti e lo rendono capace di funzionare in maniera

pica. Infatti, a livello cellulare le differenze sono ottimale. Il segnale trasmesso lungo l'assone rag-

piccole ed a livello molecolare scompaiono. I neuro- giunge la sinapsi per essere poi trasmesso al neuro-

ni e le sinapsi presentano meccanismi comuni di ne successivo. Verranno quindi presi in considerazio-

funzionamento e costituiscono la base fondamen- ne i meccanismi di trasmissione elettrica, ma soprat-

tale per la comprensione di tutte le funzioni cere- tutto di quella chimica con il suo abbondante corre-

brali. Con questi due elementi collaborano le cellu- do di molecole che mediano la trasmissione e che

le gliali alle quali recenti ricerche conferiscono un rappresentano il punto chiave d'intervento farma-

ruolo funzionale sempre più significativo. A questi cologico per moltissime malattie specialmente sul

semplici elementi cellulari è rivolta la maggior par- versante psichiatrico.

te della ricerca di oggi non soltanto per compren- Piergiorgio Sfrata

neurone

sistema nervoso primitivo costituito da cellule capa-

LA COMPARSA DEL NEURONE ci di rilevare ciò che avviene in periferia (recettori) e

NELL'EVOLUZIONE di inviare messaggi ad una struttura centrale di con-

Vi sono organismi viventi pluricellulari, come le trollo a sua volta capace di fare contrarre le diverse

spugne, che vivono immobili nel fondo del mare, non cellule muscolari in maniera coordinata. Questo cir-

cuito nervoso è alla base di un riflesso che l'essere

hanno sistema nervoso e la loro sopravvivenza è le-

gata alla presenza nell'ambiente circostante di quan- vivente utilizza per allontanarsi da una situazione

pericolosa o per avvicinarsi ad una situazione favo-

to è loro necessario. Vi sono poi altre forme di vita

relativamente semplici, come le meduse, le quali han- revole. Tale comportamento migliora notevolmente

le capacità di sopravvivenza, essendo l'organismo in

no acquisito la proprietà di potersi muovere in modo

del tutto autonomo, per cui sono in grado di cercare grado di mettere in opera una strategia sulla base di

il cibo e di fuggire in presenza di un pericolo. Questo una scelta "utile-dannoso".

nuovo comportamento ha contribuito notevolmen- Questo sistema nervoso primitivo, nelle successive

te alla loro sopravvivenza. Per acquisire la motilità, fasi dell'evoluzione, si è sviluppato in maniera sem-

questi esseri hanno dovuto disporre di particolari pre più complessa. Nei mammiferi le informazioni

cellule contrattili: le cellule muscolari. Tuttavia, que- sensitive hanno acquistato un tono affettivo di piace-

ste cellule da sole non avrebbero potuto contrarsi re o dispiacere e l'organismo ha orientato così il suo

in maniera appropriata per dare luogo ad un movi- comportamento verso una scelta "piacevole-spiace-

mento finalizzato ad uno scopo senza un sistema di vole". Inoltre, le informazioni che arrivano al cervello

coordinazione. Per questo si è andato sviluppando il si sono tradotte in sensazioni e percezioni. In questo

modo, le onde elettromagnetiche sono diventate luce A questa differenza "macroscopica" non corri-

in un mondo fino ad allora buio, si sono generati i sponde una differenza "microscopica". Infatti, se os-

suoni, il caldo, il dolore. serviamo ad ingrandimenti successivi la struttura del

La più alta complessità di struttura si è raggiunta cervello possiamo notare come le differenze tra i di-

nel cervello dell'uomo dove compaiono processi men- versi stadi evolutivi tendano a scomparire. A livello

tali complessi. Con l'enorme sviluppo della corteccia molecolare le differenze non esistono più. Le moleco-

cerebrale compare la razionalità e la capacità di giu- le di fosfolipidi che costituiscono le membrane sono

dizio estetico (scelta "bello-brutto") ed infine tra gli uguali in tutti gli esseri viventi, come uguali sono mo-

attributi più elevati della mente umana compare la lecole chiave del funzionamento delle sinapsi. I feno-

coscienza di noi stessi (autocoscienza) e la capacità di meni mentali emergono pertanto in parallelo con l'au-

un giudizio morale (scelta "bene-male"). mento della complessità della struttura ed il neurone è

In questo processo evolutivo che ha portato all'e- l'unità funzionale protagonista di questa storia.

mergere della mente umana, le singole cellule nervo-

se o neuroni hanno mantenuto le stesse caratteristi- IL NEURONE E LA CIRCOLAZIONE DEL SANGUE

che di funzionamento, ma sono mutati sia il numero,

sia i loro rapporti reciproci. Se osserviamo cervelli di Le cellule nervose o neuroni si trovano in una po-

diversi animali notiamo una notevole differenza di vo- sizione del tutto particolare nei riguardi degli scambi

lume che ha una certa relazione con la dimensione con la circolazione del sangue. Per il loro funziona-

corporea ed il numero delle cellule e delle loro con- mento ottimale è necessario che il liquido extracellu-

nessioni aumenta nella filogenesi per raggiungere la lare che si trova con loro a contatto, mantenga una

massima complessità nell'uomo. La corteccia cerebra- composizione costante e particolare, diversa da quel-

2

le umana ha raggiunto una superficie di circa 0,22 m , la degli altri distretti dell'organismo. In particolare è

ed il numero totale di cellule nervose di tutto il siste- necessario impedire che determinate sostanze, spesso

ma nervoso è di circa 115 miliardi (Tab. /). I circa 100 estranee all'organismo, vengano facilmente a contat-

miliardi di neuroni che sono localizzati nel cervelietto to con le cellule nervose, fatto che potrebbero avere

sono quasi totalmente cellule granulari o granuli, conseguenze negative per il funzionamento del cer-

mentre le cellule di Purkinje sono soltanto 30 milioni. vello. Una serie complessa di meccanismi costituisce la

I neuroni sono collegati fra loro da contatti specializ- barriera emato-encefalica che controlla sia quali so-

zati, le sinapsi, deputate a trasmettere segnali da una stanze vengono a contatto con le cellule nervose, sia

cellula all'altra, formando così una immensa rete ner- la loro velocità di diffusione (Fig. 1 ).

vosa che è alla base delle funzioni tipiche del sistema

nervoso. 1. Innanzi tutto i capillari del sistema nervoso non

possiedono pori e pertanto le molecole idrosolubi-

MILIARDI % (MEDIA) li come il glucosio non passano per diffusione nel li-

quido interstiziale. Attraverso le membrane passa-

113-118

Numero totale 100 no invece relativamente bene le molecole liposo-

Telencefalo 12-15 12 lubili come ossigeno, anidride carbonica ed alcol.

100-103 88

Cervelietto (Granuli) 2. Una seconda importante differenza consiste nel

1

Tronco encefalico e midollo spirale 0,9 fatto che tra capillare e cellula nervosa esiste una

fitta palizzata di cellule di glia (astrociti) che costi-

TAB. I. Numero di neuroni in diverse parti del sistema ner-

voso (entrale. tuisce una barriera fra il sangue ed il neurone. Ciò

FIG. 1. Scambi fra capillari e neuroni. Il neurone è separato dal capillare da una palizzata di astrociti che prendono contat-

to sia con il capillare sia con il neurone attraverso pedicelli. Le cellule endoteliali del capillare sono unite fra loro da giunzioni

serrate che limitano il passaggio di molecole conferendo loro una scarsa permeabilità ad hanno un sistema di trasporto di mo-

lecole come il glucosio verso il liquido extracellulare. Il liquido extracellulare a contatto con il neurone è prodotto dai plessi

coroidei che si trovano nei quattro ventricoli cerebrali. Il liquido prodotto ha una composizione particolare ed attraversa lo

strato di cellule ependimali.

costituisce parte della cosiddetta barriera ema- senti nei due compartimenti. Pertanto, la compo-

toencefalica. In questo modo ogni sostanza che at- sizione di questi due liquidi è molto simile. Il liqui-

traversa le pareti capillari deve superare questa do cerebrospinale viene secreto da speciali strut-

barriera prima di raggiungere il neurone. ture, i plessi coroidei, che si trovano sparsi nei ven-

3. In terzo luogo, nelle cellule endoteliali delle pare- tricoli cerebrali e costituiscono la barriera emato-li-

ti capillari del cervello esiste un sistema di traspor- quorale. I plessi coroidei sono attraversati da vasi

to (diffusione facilitata) per il passaggio di alcune sanguigni. Il liquido prodotto attraversa il 3° ed il

importanti sostanze, come il glucosio e gli ami- 4° ventricolo ed a livello del bulbo esce per entra-

noacidi, dal sangue al liquido interstiziale. re nello spazio subaracnoideo sulla superficie degli

4. Un'altra caratteristica peculiare che riguarda il cer- emisferi cerebrali e del midollo spinale. Pertanto, il

vello sta nel fatto che la composizione del liquido cervello si trova immerso in un liquido e si trova

extracellulare (mezzo interno) dipende anche da- protetto dal subire spostamenti anche di fronte a

gli scambi che avvengono tra quest'ultimo ed un brusche accelerazioni della testa. Sotto la volta

altro compartimento liquido che contiene il liqui- cranica e sulla linea mediana scorre il seno venoso

do cerebrospinale. Tra i due compartimenti esiste longitudinale. Qui attraverso le granulazioni arac-

una fila di cellule dette ependimali attraverso le noidee il liquido si riversa nel sistema venoso e

quali avviene un libero scambio di molecole pre- quindi nel circolo ematico generale.

IL NEURONE può ramificare anche notevolmente per raggiungere

5. La circolazione del liquido viene favorita dalle pul- un alto numero di cellule bersaglio alle quali conduce

sazioni delle arterie e dal gradiente di pressione

che si stabilisce fra la zona di secrezione e quella di l'informazione. La fine struttura del neurone rivela le

caratteristiche di una cellula secretrice dotata di un

drenaggio. Il liquido viene prodotto in quantità di grande nucleo, di un reticolo endoplasmatico liscio e

circa 500 mi al giorno. Il volume del liquido nel cra- rugoso. Inoltre, sia nel soma sia nei prolungamenti vi

nio è di 140 mi dei quali 115 mi si trovano nello sono abbondanti microtubuli del diametro di 24 nm

spazio subaracnoideo, mentre 75 mi si trovano in-

torno al midollo spinale. Pertanto il liquido si rin- che servono al trasporto di macromolecole dal soma

verso la periferia e viceversa.

nova 2-3 volte al giorno.

Gli scambi che avvengono tra il sangue dei plessi LE CELLULE GLIALI

coroidei ed il liquido cerebrospinale (barriera emato-

liquorale) sono di fondamentale importanza per man- Nel sistema nervoso centrale vi sono tre tipi di cel-

tenere un'appropriata composizione di questo liquido lule gliali: cellule di microglia, astrociti e oligoden-

e pertanto anche del liquido extracellulare. Infatti, le drociti (Fig. 3). Le cellule di microglia sono di origine

cellule epiteliali a contatto con i vasi dei plessi coroidei connettivale e non fanno parte della neuroglia. Si

possiedono dei meccanismi di trasporto attivo che im- tratta di cellule molto piccole presenti in scarso nu-

mettono e rimuovono dal liquido cerebrospinale di- mero nel tessuto nervoso normale, le quali aumenta-

versi tipi di sostanze. In questo modo i liquidi a con- no in modo notevole dove vi sono lesioni, emorragie,

tatto del cervello mantengono una composizione co- tumori o qualunque altro processo che porti a lesione

stante ed adeguata a far funzionare le cellule nervo- delle cellule nervose. Esse inglobano rapidamente i

se in maniera ottimale. frammenti neuronali, digerendoli in loco, oppure tra-

sportandoli nei vasi sanguigni.

Gli astrociti hanno un corpo cellulare piccolo con

IL NEURONE COME UNITÀ FUNZIONALE numerosi e sottili prolungamenti i quali terminano sui

DEL SISTEMA NERVOSO vasi sanguigni oppure prendono stretti rapporti con le

cellule nervose (Fig. 1). Essi svolgono numerose fun-

II neurone è l'elemento chiave per trasmettere in- zioni. Oltre a costituire un supporto per l'architettura

formazioni a distanza e per questo è dotato di una net- cerebrale, essi formano una palizzata che separa il

ta asimmetria nelle sue caratteristiche tridimensionali neurone dalla circolazione e collaborano alla forma-

con lo sviluppo di prolungamenti, uno dei quali, l'asso-

ne, può raggiungere una lunghezza fino a 100.000 vol- zione della barriera ematoencefalica. Inoltre, quando

la concentrazione extracellulare di potassio aumenta

te il diametro del corpo cellulare. Nonostante l'enor- in seguito ad elevata attività dei neuroni, gli astrociti

me variabilità delle varie cellule nervose (Fig. 2), la loro

struttura di base è costituita da un corpo cellulare o so- captano l'eccesso di potassio per via della loro eleva-

ma, da un prolungamento di lunghezza molto variabi- ta permeabilità verso questi ioni. Un'altra funzione di

queste cellule è quella di regolare la trasmissione si-

le, l'assone, e da altri prolungamenti, i dendriti. Il cor- naptica interferendo con i neurotrasmettitori (Fig. 38).

po cellulare rappresenta il centro trofico della cellula. I Infine, in seguito a danni del tessuto nervoso essi col-

dendriti possono mancare o essere molto numerosi e

sono deputati a ricevere informazioni da altre cellule, laborano alla formazione di cicatrici che impediscono

la rigenerazione degli assoni.

mentre l'assone, che è sempre unico, emerge da un co- Gli oligodendrociti predominano nella sostanza

no, detto segmento iniziale, ma lungo il suo precorso

— Dendriti Dendriti

Assone centrale Corpo cellulare

Assone

Assone periferico

Cellula bipolare della retina Cellula di un ganglio delle radici dorsali Motoneurone spinale

Dendriti Dendriti Corpo cellulare

Assone Assone

Cellula piramidale dell'ippocampo Cellula di Purkinje del cervelietto

FIG. 2. Vari tipi di neuroni. A: Cellula bipolare; B: Cellula pseudo-bipolare; C, D, E: vari tipi di cellule multipolari.

IL NEURONE ratteristiche di mobilità e di fluidità simile a quella di

bianca. Essi presentano prolungamenti (circa 15) che si un cristallo liquido e pertanto le varie proteine sono

espandono per avvolgere gli assoni. Intorno agli as-

soni di maggior diametro, nelle cosiddette fibre mie- libere di muoversi per diffusione, tranne alcune che si

liniche (Fig. 4, SA), essi si avvolgono ripetutamente e trovano ancorate da specifiche strutture. Molecole

glucidiche sono attaccate a fosfolipidi e a proteine.

formano dei manicotti di mielina separati dai nodi di

Ranvier. Questi ultimi sono tratti di assone a contatto

con il liquido extracellulare e ricchi di ambedue i ca- I CANALI IONICI

nali voltaggio-dipendenti per gli ioni sodio e potassio I canali ionici delle membrane eccitabili sono co-

che generano i potenziali d'azione (Fig. 4). Le fibre di stituiti da molecole proteiche composte da diverse

minor diametro, non mieliniche, isolate o in gruppi,

sono semplicemente circondate dagli oligodendrociti subunità uguali o diverse fra loro oppure da un'uni-

senza mielina. ca catena polipeptidica dotata di struttura ripetitiva

nella quale ciascun segmento rappresenta l'equiva-

La mielina degli assoni centrali contiene proteine lente di una subunità. Le molecole proteiche forma-

che ostacolano la rigenerazione dell'assone in seguito

a lesione. Inoltre queste proteine svolgono un ruolo no un poro che mette in comunicazione i due com-

fisiologico nel mantenere stabili i territori di innerva- partimenti extracellulare ed intracellulare tramite

zione di una cellula nervosa. un mezzo acquoso. Attraverso questi canali diffon-

dono ioni che per la loro scarsa liposolubibiltà non

Nei nervi periferici ogni manicotto delle fibre mie-

liniche è costitutito da una singola cellula di Schwann attraverserebbero il doppio strato lipidico della

(Fig. 56). Queste cellule, a differenza degli oligoden- membrana. La migrazione di ioni attraverso il cana-

le avviene per diffusione, sotto la spinta di un gra-

drociti, contengono importanti fattori trofici che fa- diente di concentrazione e/o di un gradiente elettri-

cilitano la sopravvivenza e la rigenerazione dei neu-

roni lesi. co. Attraverso un singolo canale possono fluire fino

a 100 milioni di ioni al secondo.

Selettività. Il canale di regola è selettivo per uno

LA MEMBRANA DEL NEURONE ione. Si dice comunemente che il canale possiede un

Come in tutte le cellule, la membrana è formata filtro di selettività. Per spiegare il concetto di filtro

da una matrice fondamentale costituita da un doppio selettivo prendiamo in considerazione come esempio

i canali del potassio i quali, grazie agli studi struttu-

strato di lipidi, in gran parte sotto forma di fosfolipi-

di, nei quali sono immerse molecole proteiche e glu- rali recenti di Roderick MacKinnon, costituiscono un

cidiche (Fig. 6). Le estremità idrofobe dei fosfolipidi, modello di conoscenze avanzate applicabile anche

ad altri canali. Nonostante esistano diversi tipi di ca-

costituite da catene di acidi grassi, si toccano fra